淀粉基复合吸水材料的制备及性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

高吸水性树脂除具有一般高吸水性材料的吸水容量大、吸水速度快及保水能力强等优点外，还具有生物可降解性，具有广阔的应用前景。淀粉基高吸水树脂因其原料来源丰富、价格低廉，且具有优异的吸水和保水性能及良好的力学性能，成为高分子吸水材料中的重要类型^[1]。通过淀粉与烯类单体接枝共聚反应对天然淀粉进行改性，可赋予淀粉许多特有性能，改性淀粉产品已广泛应用于化工、园林、环保等众多领域。进一步研究发现，采用多种单体同时与淀粉进行接枝共聚反应，利用各种单体的特性和单体间协同效应，可得到性能更为优良、用途更为广泛的改性淀粉新品种^[2]。因此，本论文旨在通过对淀粉进行接枝改性和增强改性，改善树脂的网络结构, 提高淀粉基吸水材料的性能，降低成本，拓宽应用范围。

2. 国内外研究现状分析

高性能吸水剂具有吸收与保持大量水、盐水和生理夜的特征，能吸收自身重量几十倍甚至几千倍的水分，被广泛的应用于卫生、医药、建材、农林业、电气分子和涂料等领域。吸水剂主要分为三类^[3]：合成吸水剂（包括交联聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇等）、淀粉基吸水剂和纤维素基吸水剂。其中，合成吸水剂因具有优良的吸水保水能力，仍然是吸水剂中的主流产品；然而，土壤微生物却难以降解这类聚合物。淀粉基和纤维素基则原料来源广泛，在自然界中无毒和可生物降解，具有广阔的发展前景。

1966年^[4]美国农业部北方研究所用硝酸铈铵作引发剂，制得淀粉-丙烯腈接枝共聚物，开创了淀粉接枝高性能吸水剂的研究领域；但早在20世纪60年代，美国科学家reyes^[5]将淀粉置于氮气中在电子加速器产生的电子束辐照下于丙烯酰胺接枝共聚；varma^[6]等利用⁶⁰coγ射线引发淀粉-丙烯酰胺和双甲基丙烯酰胺接枝共聚交联合成吸水树脂；国内今年有杨波^[7]等研究了淀粉与丙烯酰胺在⁶⁰coγ射线辐照下共聚反应的机理。

淀粉基高性能吸水剂经历了淀粉接枝丙烯腈系吸水剂、淀粉接枝丙烯酸系吸水剂以及淀粉接枝丙烯酸酯或丙烯酰胺系吸水剂等几个阶段。在研究淀粉接枝丙烯腈系吸水剂中，trimnell和fanta g f^[8]则为克服淀粉接枝共聚物吸液时的凝胶阻塞，引入亲水性更强的单体2-丙烯酰胺-2-甲基磺酸丙烷（aa-so₃h）制得淀粉-丙烯腈-aaso₃h接枝共聚物，还添加alcl₃进行后处理；合成淀粉接枝丙烯酸系吸水剂，heidel^[9]将淀粉与中和后的丙烯酸、环己烷、脱水山梨糖醇月桂酸单酪、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、过硫酸铵和edta组成悬浮液，经过加热聚合，共沸蒸馏，再和乙二醇二缩水甘油醚交联，得到高吸水性树脂。国内乐清华等经过工艺改造，取消了淀粉糊化步骤，将未糊化淀粉与丙烯酸共聚，产品的抗腐变性、凝胶强度和吸水能力显著提高。淀粉接枝丙烯酸酯或丙烯酰胺是制备高吸水性树脂的又一种方法，它们耐盐能力强但是吸水倍数低。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

高吸水材料是一类分子链上具有很多亲水基团的轻度交联聚合物，由于渗透压及静电作用，它能吸收自身重量的几百倍甚至上千倍的水而呈凝胶状，且保水性好，因而应用广泛。淀粉本身很脆，不宜单独作降解材料使用，故常需进行改性。目前研究较多的主要为淀粉接枝共聚物，由于其吸水保水能力好、成本低而得到迅速发展。本课题旨在制备可生物降解性的淀粉接枝丙烯酰胺环境友好型高吸水材料，并利用蒙脱土具有层间阳离子的可交换性和极性介质中的可膨润性两个特性，对所制备的高吸水材料进行力学性能增强，以期制得性能更好的吸水性材料。包括：

（1）淀粉接枝聚丙烯酰胺树脂的制备：以玉米淀粉为主要原料，丙烯酰胺为改性单体，有机蒙脱土为增强改性剂，过硫酸铵为引发剂和n,n-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用接枝共聚法制备淀粉接枝型高吸水性树脂。探究淀粉、引发剂、丙烯酰胺单体用量及聚合时间、聚合温度等因素对产物性能的影响，并找出最佳实验条件。

4. 研究创新点

1、淀粉与烯类单体接枝共聚反应对天然淀粉进行改性，可赋予淀粉许多特有性能，改性淀粉产品已广泛应用于化工、园林、环保等众多领域多种单体同时与淀粉进行接枝共聚反应，利用各种单体的特性和单体间协同效应，可得到性能更为优良、用途更为广泛的改性淀粉新品种。

2、蒙脱土是一种2/1型三层结构硅酸盐，具有层间阳离子的可交换性和极性介质中的可膨润性两个特性。将单体或聚合物插入到蒙脱土片层间，是层间距增大，甚至发生剥离，得到聚合物/蒙脱土纳米复合材料，蒙脱土与丙烯酸聚合后能显著提高材料的吸水性性能。